棱角度超标换热器的有限元应力分析

李晓达

锦州市特种设备监督检验所

安全科学技术

棱角度超标换热器的有限元应力分析

李晓达

锦州市特种设备监督检验所

针对换热器监督检验中发现的棱角度超标问题，采用有限元软件对其超标部位及整体的受力情况进行计算，分析计算结果并与材料的允许应力进行比较，结果显示，该换热器壳程筒体纵焊缝棱角度超标部位的静应力能够满足静强度要求。

棱角度超标；有限元；应力分析

某化工企业一进口换热压力容器，为U形管换热器结构，直径为500mm，长度为3840mm，换热面积为45.36m2。其主要技术参数，设计压力：壳程0.6MPa，管程0.4MPa；设计温度：壳程150℃，管程150℃；工作压力：壳程0.5MPa，管程0.23MPa；工作温度： 壳程30℃（进口）/36℃（出口），管程43.47℃（进口）/40℃（出口）；材料：壳程#SA516Gr.70，管程C4；介质：壳程#循环水，管程PHOSGENE（光气）。

1 监督检验情况

对换热器安全性能进行监督检验的过程中发现筒体纵焊缝有棱角度超标现象，其纵焊缝最大棱角度为6.0mm[1]，超过相关标准规定的≤3.0mm，棱角度超标位置及尺寸标注，如图1。

按照《中华人民共和国进出口商品检验法》、《中华人民共和国进出口锅炉压力容器监督管理办法（试行）》、《锅炉压力容器监督管理办法》、《ASME Ⅷ》和我国相关压力容器规程，压力容器纵环焊缝棱角度要符合相关标准规定[2]棱角度超标是不符合要求的，但由于企业急于投用，且此换热器不存在其它方面的超标缺陷，因此拟采用大型有限元分析软件ANSYS对棱角度超标部位进行有限元数值应力计算和分析，并进行静强度安全分析。

2 有限元计算建模

此容器为U型管换热器，由于管程对壳程的受力情况影响不大，同时此换热器接管位于筒体两端靠近封头位置，而棱角度超标部位为壳程筒体中间部位，考虑到最大棱角度部位离两端较远，为方便起见，建模时忽略管程和壳体接管的影响，重点考虑换热器壳程棱角度部位的应力情况，取壳体中间部位进行分析，按照薄壁圆筒容器计算。壳体中间部位主要受内部介质的内压，在内压的作用下，薄壁承受径向应力和周向应力作用，不考虑壳体与其他连接处的局部应力。分析计算中棱角度取为6mm。根据力学原理，这种计算得到的计算结果偏于安全。

图2为计算模型整体结构示意图，模型单元划分后的单元总数为75845个，节点总数为25488个。

计算时取该容器的设计压力0.6MPa和设计温度150℃，棱角度取6mm。径向应力和周向应力按薄壁圆筒容器计算。

3 计算结果

在温度为150℃、压力为0.6MPa的工作情况下，壳体的应力分布云图情况如图3所示。图4为棱角度部位内表面应力分布云图，图5为棱角度部位外表面应力分布云图。由图3、4、5可以看出壳体由于存在棱角度超标，纵焊缝两侧部位存在不同程度的应力集中。

4 安全分析及结论

由壳体的应力分布云图4、5、6可以看出，在温度为150℃、压力为0.6MPa的情况下该换热器壳程筒体纵焊缝棱角度超标部位最大应力为37MPa，而材料（SA516Gr.70）在相应温度下的许用应力为138MPa，两者比较，棱角度超标部位的最大应力远低于相应温度下材料的许用应力。因此说明，在不考虑管程及接管影响的情况下，换热器壳程筒体纵焊缝棱角度超标部位的静应力在受内压0.6MPa时完全能够满足静强度要求。而此容器工作压力为壳程0.5MPa，温度30℃（进口）/36℃（出口），小于计算所选设计参数，因此在正常工作状态下棱角度超标部位的强度满足要求。

[1] 中华人民共和国国家标准.GB150-2011,钢制压力容器[Z].北京:新华出版社,2011

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.TSG R0004-2009,固定式压力容器安全技术监察规程[Z],北京:新华出版社,2009